LTE-U與Wi-Fi異構網絡下的公平共存方案

王華華，王曉娟，余永坤

（重慶郵電大學移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065）

LTE-U與Wi-Fi異構網絡下的公平共存方案

王華華，王曉娟，余永坤

（重慶郵電大學移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065）

本文首先對LTE-U技術進行概述并對其在5GHz非授權頻譜上與Wi-Fi進行對比，凸顯其優勢所在。同時表明與現有Wi-Fi技術共存問題是LTE-U發展的最大瓶頸，并提出三種解決方案，以使LTE-U突破共存瓶頸，在Wi-Fi和LTE-U網絡公平共存場景下的，使得系統性能得到了進一步提升。

LTE-U；Wi-Fi；共存；LBT；CSAT；DCS

1 引言

智能手機、平板電腦等無線設備的使用導致了移動數據的爆炸性增長，凸顯出頻譜匱乏與需求間的深刻矛盾，而移動數據流量的承載依然以授權頻譜為基礎，出于授權頻譜資源的有限性，移動網絡的容量也受到了很大的限制。與此同時，在5GHz頻段卻存在著豐富的非授權頻譜資源，如能有效利用這一頻段就可以解決授權頻譜資源不足與據流量增長之間的矛盾。因此，LTE-U技術應運而生[1]。

LTE-U是一種在5GHz的非授權頻譜下，能夠為用戶提供運營商及網絡服務的一種無線接入技術。3GPP提出的LTE-U技術框架，將免許可頻段作為許可頻段的補充，這項技術可借助載波聚合SDL（Supplemental Downlink）技術，將數據流量分流到未授權的U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）頻段。

相比于同樣工作在5GHz的其他接入技術，如Wi-Fi，工作在未授權頻段的LTE-U系統在網絡架構、覆蓋能力和網絡容量方面具有更大的優勢，其有能力提高頻譜效率和系統容量，擴大覆蓋范圍、增強用戶體驗。圖1和圖2分別展示了相同發射功率和傳輸配置下LTE-U相對Wi-Fi在覆蓋面積和系統容量上的提升[1]。

圖1 LTE-U相對Wi-Fi在覆蓋范圍上的提升

圖2 LTE-U相對Wi-Fi在系統容量上的提升

2 LTE-U發展瓶頸

LTE-U的發展面臨著諸多挑戰，其中與現有的Wi-Fi系統共存是LTE-U遇到的最大瓶頸。由于Wi-Fi和LTE-U異構，缺少溝通渠道，使得它們在免許可頻段上遭遇共存問題。在谷歌白皮書抗議中寫道，移動運營商計劃用非授權頻段提供LTE服務，此舉將影響并排擠Wi-Fi、藍牙等其他使用非授權頻段的技術。

目前，在諾基亞的研究中，評估了LTE-U和Wi-Fi兩個系統同時處于“稀疏”和“密集”環境下共存的系統性能表現[2]，仿真結果如圖3所示。

各系統的性能狀況是通過用戶吞吐量來反映，從仿真結果中，我們可觀察到共存模式下LTE-U系統受到Wi-Fi傳輸的影響較小，其中在4個AP（Access Point，接入點）和10個STA（Ststion，工作站）的情況下，LTE-U用戶吞吐量減少得最高，約為4%。然而，這種共存對于Wi-Fi系統的性能造成了明顯的下降，在影響最小的情況下（4個AP和25個STA），Wi-Fi系統的用戶吞吐量就已經降低了70%左右，在10個AP和25個STA的分布情況下，Wi-Fi系統的用戶吞吐量甚至降低了98%。

圖3 各分布情況下用戶吞吐量

這是因為Wi-Fi采用的是“先聽后說”的LBT的機制，Wi-Fi節點（AP或者設備）在某個信道進行傳輸前先“監聽”，只有當一個信道被認為是“空著”的時候，節點才會被允許進行信號傳輸；如果信道被監測到“被占用”狀態，則節點將推遲一段時間（隨機）再進行信號傳輸以免沖突[3]。而LTE-U使用OFDM信道接入技術，一般不進行載波感知探測（因為該技術認為許可頻段的獨家使用權），根據控制和管理信令安排最佳信道。

在二者共存時，如果不加限制，就會造成Wi-Fi節點受到了LTE-U在一段時間內的幾乎恒定的強烈的干擾，使得Wi-Fi節點感知到信道忙而長期處于監聽狀態，顯著影響了用戶的吞吐量。如果不指定LTE和Wi-Fi的共存標準，只簡單將LTE-U作為LTE的“新頻段”而沒有共存機制，很可能導致LTE-U擠走Wi-Fi，將存在“公地悲劇”的風險。

3 異構網LTE-U和Wi-Fi的共存方案

當LTE-U和Wi-Fi網絡共存時，Wi-Fi面臨無法接入信道的局面，而異構網絡又無渠道傳遞消息。因此，如何實現LTE-U與Wi-Fi公平共存而不降低數據吞吐量效率，是當前需要解決的關鍵問題。在本節中，提出三種共存設計方案，以解決LTE-U和Wi-Fi之間的共存問題。

LTE-U設計方向之一是采用與Wi-Fi相同的模式。也就是說，LTE-U設備在接入信道之前也需要對信道進行檢測，來確保信道是空的，即采用“先聽后說”的LBT機制[4]。LBT機制使得設備在傳輸數據前先進行CCA（Clear Channel Assessment，空閑信道評估），這即可確保對介質的公平訪問，同時也是一個非常有效的共享未授權頻譜的方法。

LTE-U的設計方向之二是使用調度機制暫時釋放信道。在Wi-Fi和LTE-U密集部署的小區，LTE-U系統可能無法檢測到空閑的信道，在這種情況下，LTE-U可以通過CSAT技術來實現與同一小區和相鄰小區的Wi-Fi或LTE-U信道共享。對于CSAT機制[5]，其定義了一個發送循環周期，在這個循環周期里，LTE-U只用一部分時間間隔進行數據的傳輸，其中傳輸執行與傳輸停止的占空比是由小區內其他傳輸系統的活動程度決定的，這樣就可以確保信道的共享和服務的質量。

圖4 CSAT的原理圖

LTE-U的設計方向之三是采用DCS機制，旨在避免LTE-U用戶占用信道太長時間，并且當網絡中的業務負載低時為Wi-Fi用戶提供更多的接入機會。

圖5 動態信道選擇示例

在DCS機制[6]中，當LTE-U用戶有數據傳輸時，它將首先監聽一個信道，例如，信道1，在傳輸之前，如果信道1是空閑的，在一個FB（Frame Block，FB）周期內，用戶在信道1上傳輸數據。在一個FB周期內，如果LTE-U用戶不能完成數據的傳輸，那么，它并非在下一個FB周期且在相同信道內繼續進行數據的傳輸。而是，會首先在這一FB周期的最后一幀監聽檢測其他的信道。如果檢測到有其他空閑信道，比如信道n空閑，它將在這一FB周期的最后時刻，從當前數據傳輸的信道1切到空閑的信道n進行數據傳輸，否則的話，它將會在下一個FB周期且在相同信道內繼續傳輸數據。如果LTE-U用戶檢測到空閑信道并進行信道切換，那么，當前占用的信道就會處于空閑狀態，這將為Wi-Fi用戶提供接入機會。

4 LTE-U的發展之路

LTE作為一個設計嚴謹，結構復雜的成熟通信系統，將LTE引入到非授權頻段既減輕了授權頻段的壓力，同時又不會對本身存在于非授權頻段的網絡造成影響。雖然在與Wi-Fi的共存問題上存在挑戰，但針對共存問題也提出了一些有效的協調機制，如LBT、CSAT、ABS、DCS、ACA等機制，并且據已有的結論，在非授權頻段引入LTE后對Wi-Fi造成的影響不會超過其他Wi-Fi對該Wi-Fi的影響。在LTE-U部署上發布的世界首個試驗結果也鼓勵運營商追求利用未授權頻譜的互補接入的部署。總而言之，LTE系統能夠在非授權頻段和現有的Wi-Fi等接入技術共存，其必將有著廣闊的發展前景。

5 結束語

隨著無線通信技術不斷發展，無線頻譜資源匿乏的問題日益顯現。隨著LTE和Wi-Fi技術廣泛應用于無線通信中，LTE在非授權頻段的部署變為可能，因此LTE-U技術應運而生。但是Wi-Fi和LTE-U異構，缺少溝通渠道，LTE-U和Wi-Fi和諧共存問題不容忽視。本文在處理Wi-Fi與LTE-U網絡共存問題時，提出三種共存設計方案，以使LTE-U突破瓶頸，在Wi-Fi和LTE-U網絡公平共存場景下的，使得系統性能得到進一步提升。

[1] 趙思聰，黃磊等．LTE-U：未來移動通信系統發展的助推劑[J]．電信科學，2016.4

[2] 凌揚珺．Wi-Fi與LTE-U異構網絡下干擾協調機制研究[M]．西南交通大學，2016.6:19-26

[3] 彭麗，張純波．LTE-U技術及發展淺析[J]．數據通信，2016.1:23-24

[4] 蔡鳳恩，成蕾，劉歡等．非授權頻段中LTE和Wi-Fi共存系統性能研究[J]．電信工程技術與標準化，2015.10:(28)10

[5] 于超．淺析LTE-U網絡技術[J]．廣東通信技術，2015.07

[6] Jie Xiao, Jun Zheng,An Adaptive Channel Access Mechanism for LTE-U and WiFi Coexistence in an Unlicensed Spectrum[J],2016 IEEE International Conference on Communications (ICC),2016.7:1-6.

Fair Coexistence Scheme between LTE-U and Wi-Fi Heterogeneous Networks

Wang Huahua,Wang Xiaojuan,Yu Yongkun
(Chongqing University of Posts and Telecommunications (CQUPT), Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol, Chongqing, 400065)

Firstly, an overview of LTE-U was presented, and it is expected that LTE-U performs better than Wi-Fi in 5GHz unlicensed bands. A crucial issue that arises with LTE-U is the coexistence of an LTE-U system and a Wi-Fi system in the same unlicensed band. In this section, we present the proposed Three schemes for LTE-U and WiFi to share an unlicensed spectrum, Under the fair coexistence scenario of Wi-Fi and LTE-U networks, LTE-U can break through the bottleneck and the system performance can be further enhanced.

LTE-U; Wi-Fi; coexistence; LBT; CSAT; DCS

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.004

TN929.5文獻標示碼：A

1672-7274（2017）08-0011-03

王華華，男，碩士生導師，高級工程師，主要研究方向嵌入式系統（移動通信基帶處理系統），通信軟件開發。

王曉娟，女，碩士生，主要研究方向為LTE-A Pro系統協議棧開發與測試。

余永坤，男，本科生，就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院。